하이브리드 재사용 발사체의 연소관 내부 형상에 따른 재진입시 공력 특성 연구

Abstract

본 연구에서는 하이브리드 재사용 발사체의 재진입 시 연소관 내부 형상에 따른 공력 특성을 분석하였다. 공력 특성 분석은 총 세 단계에 걸쳐 이뤄졌으며, 연소관 내부 유동 진동 특성 분석, 충격파 거동 특성 분석, 그리고 항력 특성 분석 순으로 수행하였다. 시험 모델은 노즐목이 뚫린 세 개의 모델과 비교군으로서 노즐목이 막힌 하나의 모델 및 노즐 끝단이 막힌 하나의 모델로 구성된다. 실험은 고도 32km에서의 마하 6의 시험 유동에서 수행되었다. 노즐목이 뚫린 모델의 내부 유동 진동 특성은 모델 내부 끝단에서 측정한 압력 데이터를 고속 푸리에 변환하여 확인하였다. 노즐목이 막힌 모델은 노즐목에서, 노즐 끝단이 막힌 모델은 노즐 끝단에서 측정한 압력에 대해 동일한 과정을 수행하였다. 연소관 내부 형상에 따라 유동 진동 특성이 달라졌으며, 유동의 주 진동수는 내부 공간의 부피와 반비례하며 헬름홀츠 공명과 밀접한 관계가 있음을 확인하였다. 충격파 거동 특성의 경우 유동장 가시화를 통해 획득한 이미지에서 시험 구간 동안의 충격파 생성거리를 산출하여 분석하였다. 노즐목이 뚫린 모델 중 내부 깊이가 40 mm인 모델의 경우 충격파 진동 양상이 모델 내부 유동 진동 양상과 유사함을 확인하였으며, 이는 연소관 내부 유동 진동이 충격파 거동에 직접적인 영향을 주는 것으로 사료된다. 반면 노즐목이 뚫린 모델 중 내부 깊이가 90 mm인 모델의 경우 시험 시간 내 특정 구간 동안 충격파가 매우 짧은 주기로 진동하는 것을 확인하였으며, 이는 연소관 내부 형상으로 인한 고유 특성으로 사료된다. 노즐목이 막힌 모델의 경우 노즐 끝단과 노즐목 사이에 작게 재순환하는 영역이 존재하며, 시간에 따른 압력 및 충격파 생성거리 모두 비슷한 양상으로 크게 진동하는 경향을 보였다. 노즐 끝단이 막힌 모델의 경우 압력과 충격파 생성거리 모두 시험 시간 동안 거의 동일한 값을 유지하는 것을 확인하였다. 최종적으로, 응력파 힘 평형 기법을 통해 각 모델의 항력 특성을 분석하였다.